專利名稱：一種在單向開源數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒?br> 技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于一種數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ欧椒ǎ婕霸趩蜗蜷_源的數(shù)據(jù)傳輸過程中，確保數(shù)據(jù)內(nèi)容不可破解與不可仿制欺騙的方法。
所述單向含義為發(fā)射機(jī)只發(fā)射數(shù)據(jù)、接收機(jī)只接收數(shù)據(jù)，不存在接收機(jī)向發(fā)射機(jī)的反饋數(shù)據(jù)。
所述開源的含義為，數(shù)據(jù)傳送過程中，除了指定的接收者，其他用戶也可以獲取其信息(如無線電通訊，網(wǎng)絡(luò)廣播等)。
該方法特別涉及一種計(jì)算機(jī)令牌系統(tǒng)中所使用的方法，用于避免入侵者破解認(rèn)證信息、防止錄放欺騙。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有技術(shù)中，用于單向傳輸?shù)陌卜喇a(chǎn)品主要采用固定編碼集成電路，如PT2262、PT2272、AX5326、AX5327等編解碼芯片。十分容易被在空中捕捉電波碼字和掃描跟蹤的等方法破解，只能用于一些對保密安全要求不高的場所。一臺(tái)低成本的空中電波代碼拷貝機(jī)，在不到1秒鐘的時(shí)間內(nèi)就能將此類系統(tǒng)破解；而采用掃描跟蹤的方法也僅需數(shù)十分鐘就能破解此類系統(tǒng)。
一種基于KEELOQ算法的HCS系列滾動(dòng)碼編碼芯片可以克服上述缺點(diǎn)在傳輸代碼之前采用了非線性位加密技術(shù)，產(chǎn)生具有保密性的滾動(dòng)編碼。使得每次發(fā)送的代碼都是唯一的、不規(guī)則的、且不重復(fù)，從而防止了非法捕捉和掃描跟蹤等破譯手段。
但由于其實(shí)現(xiàn)方法是采用固定的集成電路，通過定址確定滾動(dòng)碼的序列，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的干擾，使得該方案有如下缺點(diǎn)1.配置復(fù)雜，出廠前需要對該芯片編程。通過工廠產(chǎn)生的唯一密鑰寫入存儲(chǔ)器，作為加密的基礎(chǔ)。
2.安全性不足，其密鑰長度有限，僅僅有64位，并且在編程過程中也可能泄露其密鑰信息。同步數(shù)僅僅保留16位，在知道密鑰的前提下，枚舉65536次就可以攻破。攻擊者可以在很短的時(shí)間內(nèi)就完成遍歷式攻擊。
3.需要在發(fā)射與接收兩端添置芯片，從而導(dǎo)致產(chǎn)品的成本與發(fā)送方功耗大大增高。
另外一種通過RSA公鑰實(shí)現(xiàn)安全傳輸?shù)姆椒ㄒ部梢杂行У姆乐箍罩胁东@和掃描跟蹤。
所述的RSA公鑰算法是基于大數(shù)因數(shù)分解困難性而發(fā)明的一種公鑰加密算法，存在如下缺點(diǎn)1、RSA計(jì)算復(fù)雜。RSA算法則主要在于大數(shù)運(yùn)算，包括乘法、求模、取余等運(yùn)算，這要求處理器有足夠的存儲(chǔ)空間和計(jì)算能力。
2、RSA效率低。原因同上，同樣進(jìn)行一次加密運(yùn)算，RSA比普通的對稱性算法至少慢1000倍。這在普通PC機(jī)上看起來還可以，但在嵌入式處理器中，這是無法接受的，一般地，在嵌入式處理其中完成RSA運(yùn)算，通常要配合一個(gè)DSP或?qū)Ｓ玫挠布f(xié)處理器。
3、基于RSA實(shí)現(xiàn)的驗(yàn)證，要求雙向數(shù)據(jù)傳輸。顯然，這在單向傳輸?shù)南到y(tǒng)中是不適用的，無論實(shí)現(xiàn)成本、設(shè)備功耗，都是不可取的。
顯而易見，采用RSA算法運(yùn)算復(fù)雜，處理器工作量大，功耗大，成本也會(huì)巨幅增加。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決一對一單向、開源通信中的傳輸安全問題，具體防范以下攻擊行為1、攻擊者截取數(shù)據(jù)后，破解其內(nèi)容，從而偽造數(shù)據(jù)，攻擊接收方。
2、攻擊者在無法破解數(shù)據(jù)情況下，簡單地錄制數(shù)據(jù)，并且擇機(jī)重放，欺騙接收方(即錄放欺騙)。
本發(fā)明通過采用時(shí)間同步配合數(shù)據(jù)加密解決上述技術(shù)問題。
如圖1所示，一種單向通信系統(tǒng)包括發(fā)送方(TX)和接收方(RX)，其中發(fā)送方只能發(fā)送數(shù)據(jù)，不能接收數(shù)據(jù)；接收方只能接收數(shù)據(jù)不能發(fā)送數(shù)據(jù)。
發(fā)送方和接收方使用一個(gè)相同的傳輸密鑰(Tkey)，使用對稱性加密算法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的加密與解密，其中發(fā)送方只加密，接收方只解密。
在數(shù)據(jù)傳輸過程中，發(fā)送方和接收方共同使用同一個(gè)同步計(jì)數(shù)(SyncCount)，該同步計(jì)數(shù)(SyncCount)與時(shí)間相關(guān)，在發(fā)送方和接收方同時(shí)單調(diào)遞增(+1)。該計(jì)數(shù)值優(yōu)選地采用32位-128位數(shù)據(jù)進(jìn)行描述。
發(fā)送方或者接收方因掉電或者時(shí)鐘不準(zhǔn)以及其他原因?qū)е峦接?jì)數(shù)(SyncCount)丟失時(shí)，判定為不同步，并采取同步步驟由發(fā)送方強(qiáng)制進(jìn)行刷新，即發(fā)送“同步幀”。
發(fā)送方和接收方分別維護(hù)一個(gè)同步序數(shù)(SyncSeq)，發(fā)送方每次發(fā)送同步幀時(shí)，不管接收方收到與否(因?yàn)閱蜗蛲ㄐ?，同步序數(shù)都會(huì)遞增一個(gè)隨機(jī)值并隨同步幀一同發(fā)送。接收方收到同步幀時(shí)，通過對同步序數(shù)的檢驗(yàn)判斷是否發(fā)生了錄放欺騙。
數(shù)據(jù)幀是通信過程中要傳遞的信息。


通過下面結(jié)合示例性地示出一例的附圖進(jìn)行的描述，本發(fā)明的上述和其他目的和特點(diǎn)將會(huì)變得更加清楚，其中圖1為系統(tǒng)構(gòu)成的簡單示意圖；圖2為數(shù)據(jù)幀的傳送過程；圖3為同步幀的傳送過程。
具體實(shí)施例方式
第一實(shí)施例數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)傳輸過程中，發(fā)送方可以發(fā)送不同的幀，其幀頭為固定結(jié)構(gòu)幀頭＝ID+LEN+CMD+CRC，其中ID尋址信息，也就是發(fā)送方的惟一性標(biāo)識(shí)。
LEN幀長度。
CMD命令，也就是幀類型。
CRC校驗(yàn)值，可選16位的CRC或128位的MD5。
按幀類型的不同，列表如下表1

其中配置幀在設(shè)備初始過程中，由發(fā)送方進(jìn)行初始配置傳送的幀，包含初始同步數(shù)據(jù)。
同步幀由用戶主動(dòng)控制發(fā)送方端進(jìn)行發(fā)送。
數(shù)據(jù)幀按照數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰０l(fā)送的數(shù)據(jù)。
工作流程一、配置幀以及初始化設(shè)備初始化啟動(dòng)時(shí)，發(fā)送方與接收方分別啟動(dòng)各自的組件以及彼此獨(dú)立的時(shí)間系統(tǒng)，如計(jì)數(shù)器，計(jì)時(shí)器等。并由發(fā)送方發(fā)送配置幀配置幀＝幀頭+Tkey(傳輸密鑰)+SyncSeq(同步序數(shù))+data(其它數(shù)據(jù))Tkey傳輸密鑰(長度從128位-256位)。
SyncSeq同步序數(shù)(初始值)。
配置幀是可選的，如果發(fā)送方與接收方的配置通過其它方式完成，則可以省略配置幀。此幀僅在配置期間發(fā)送一次。
具體的過程如下1.接收方從計(jì)算機(jī)能夠獲得系統(tǒng)時(shí)鐘(RealTime)，該時(shí)鐘屬于世界時(shí)間，是64位長的整數(shù)，計(jì)從1601年1月1日到現(xiàn)在的時(shí)差(以100ns為單位)。接收方在完成初始配置時(shí)，會(huì)將當(dāng)時(shí)的時(shí)間作為設(shè)備的生日(Birthday)。
2.接收方維護(hù)一個(gè)計(jì)時(shí)器TimerRx，此計(jì)時(shí)器隨著時(shí)間的流逝單向遞增，每2秒+1；此計(jì)時(shí)器在掉電時(shí)會(huì)丟失。在上電時(shí)TimerRx＝(RealTime-Birthday)/10/1000/1000/2……(式1)(到生日的時(shí)差除10得微秒數(shù)得毫秒數(shù)得秒數(shù))即接收方維護(hù)的是一個(gè)可恢復(fù)的相對時(shí)間(相對于設(shè)備配置時(shí))。
3.發(fā)送方維護(hù)一個(gè)計(jì)時(shí)器TimerTx(即同步計(jì)數(shù))，此計(jì)時(shí)器隨著時(shí)間的流逝單向遞增，每2秒+1；此計(jì)時(shí)器在掉電時(shí)會(huì)復(fù)位。
4.接收方還維護(hù)一個(gè)TimerTx的影子計(jì)數(shù)器TimerTxShadow。此計(jì)數(shù)器同樣每2秒加1。
二、數(shù)據(jù)幀以及數(shù)據(jù)傳輸參見圖2所有數(shù)據(jù)幀使用傳輸密鑰(Tkey)進(jìn)行加密，其長度從128位-256位或者更高，使得在現(xiàn)有的軟硬件條件下，無法實(shí)現(xiàn)遍歷式暴力破解。
在數(shù)據(jù)傳輸過程中，數(shù)據(jù)幀中發(fā)送方和接收方共同使用同步計(jì)數(shù)(SyncCount)，該同步計(jì)數(shù)(SyncCount)與時(shí)間相關(guān)，在相同的時(shí)間間隔T之后，發(fā)送方和接收方同時(shí)單調(diào)遞增(+1)。該計(jì)數(shù)值優(yōu)選地采用32位-128位數(shù)據(jù)進(jìn)行描述。
使得經(jīng)過加密編碼后的數(shù)據(jù)幀數(shù)據(jù)在每次發(fā)送時(shí)均有不同，攻擊者在不知道Tkey的情況下無法解密數(shù)據(jù)。
即使攻擊者錄制了一份數(shù)據(jù)，嘗試重放數(shù)據(jù)欺騙接收方，由于同步計(jì)數(shù)(SyncCount)不匹配，接收方不會(huì)響應(yīng)。
三、同步幀及同步過程參見圖3同理于數(shù)據(jù)幀的安全性，同步幀也被Tkey加密，攻擊者即使錄制了數(shù)據(jù)，由于接收方對同步序數(shù)的檢驗(yàn)，可以有效地察覺錄放欺騙行為。
下面詳細(xì)介紹同步過程同步過程的觸發(fā)●在每一次收到數(shù)據(jù)幀時(shí)，接收方判斷該幀攜帶的TimerTx是否與TimerTxShadow匹配，如果不匹配，則認(rèn)為“不同步”，要求用戶發(fā)起同步幀重新同步。
●或者用戶通過發(fā)送方上的設(shè)備，手動(dòng)控制啟動(dòng)同步過程。
●發(fā)送方掉電，導(dǎo)致發(fā)送方的時(shí)鐘復(fù)位。
●發(fā)送方發(fā)起了一次同步，而接收方?jīng)]有收到。
●計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)時(shí)間被改變了，導(dǎo)致接收方的時(shí)間戳推算錯(cuò)誤。
●發(fā)送方與接收方在長期工作后，由于器件的差異(晶振)，導(dǎo)致時(shí)鐘走時(shí)不準(zhǔn)。
●其他需要同步的情況。
同步的過程1.發(fā)送方發(fā)送信號(hào)時(shí)，接收方只要收到信號(hào)并解密/校驗(yàn)成功，就會(huì)將收到的TimerTx與TimerRx合成一個(gè)時(shí)間戳，保存到設(shè)備的存儲(chǔ)器中(存成TimerRx’和TimerTx’)，同時(shí)接收方會(huì)將TimerTxShadow更新成于TimerTx相同的值。
2.接收方上電時(shí)，根據(jù)初始過程中的方法(式1)計(jì)算出了當(dāng)前的TimerRx，然后讀取最后一次同步時(shí)保存的時(shí)間戳，可以推算出當(dāng)前發(fā)送方“應(yīng)該”有的TimerTx值。即TimerTxShadow值TimerTxShadow＝(TimerRx’-TimerRx)+TimerTx’；所以，接收方掉電后，重新插入，無需重新同步，可以繼續(xù)工作。
優(yōu)選的，在同步幀中，為了防止錄放欺騙(攻擊者錄下同步幀的信號(hào)，嘗試使用同樣的信號(hào)欺騙接收方)，還有以下附加的方案措施1.發(fā)送方儲(chǔ)存一個(gè)同步序數(shù)(SyncSeq)，SyncSeq在每次發(fā)送同步幀時(shí)都會(huì)隨機(jī)的遞增并且保存到存儲(chǔ)器。
2.接收方也儲(chǔ)存一個(gè)同步序數(shù)(SyncSeq’)，在每次成功同步后，讓SyncSeq’＝SyncSeq，然后也保存到設(shè)備存儲(chǔ)器。
3.接收方收到同步幀時(shí)，判斷SyncSeq’是否小于SyncSeq，如果不小于，判定該同步幀是攻擊者的欺騙信號(hào)，通知系統(tǒng)并采取保安措施，如自毀接收方的數(shù)據(jù)。
進(jìn)一步優(yōu)選的，本發(fā)明使用于計(jì)算機(jī)令牌系統(tǒng)中。
該令牌將認(rèn)證信息一分為二，其間采用單向的無線電通信，其發(fā)送方由用戶隨身攜帶，接收方通過USB接口連接在計(jì)算機(jī)上，發(fā)送方每隔固定時(shí)間間隔發(fā)送一次認(rèn)證信息，接收方收到后驗(yàn)證其正確性并提交到計(jì)算機(jī)，從而控制計(jì)算機(jī)資源的訪問。
第二實(shí)施例如第一實(shí)施例中的系統(tǒng)以及方法，其使用的同步計(jì)數(shù)(SyncCount)以及同步序數(shù)(SyncSeq)可以同為遞減的順序；或者同步計(jì)數(shù)為遞增，同步序數(shù)為遞減；或者同步計(jì)數(shù)為遞減，同步序數(shù)為遞增。
其中，相隔固定的時(shí)間T對同步計(jì)數(shù)進(jìn)行計(jì)算，預(yù)先確定，并不限定于2秒。
本發(fā)明涉及的方法運(yùn)行在發(fā)送方和接收方實(shí)現(xiàn)硬件的處理器上，并可固化在硬件芯片中。
上述方法都為在本發(fā)明技術(shù)上簡單變形，為相同的技術(shù)方案。
技術(shù)效果本發(fā)明解決了單向、開源情況下，數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩珕栴}，可以有效地防止攻擊者對數(shù)據(jù)的破解和分析，也能有效地防止錄放欺騙。
本發(fā)明有以下特點(diǎn)1、高安全性，其一，本方法支持的對稱性加密算法密鑰長度為128位-256位，其組合的可能性為2128-2256，在算法安全的前提下，強(qiáng)力攻擊(即枚舉密鑰)基本不可能。其二，時(shí)間因子對加密后的數(shù)據(jù)產(chǎn)生了極大的干擾，通過已知明文與密文，從而解析密鑰的方法同樣無效。其三，同步計(jì)數(shù)與同步序數(shù)的引入有效地解決了錄放欺騙的問題。
2、成本低，相對于使用專用的滾動(dòng)碼IC或使用雙向通信配合公鑰算法的實(shí)現(xiàn)，本發(fā)明對相關(guān)產(chǎn)品使用的硬件沒有較高需求，一般的單片機(jī)即可實(shí)現(xiàn)。
3、可擴(kuò)展性強(qiáng)，本發(fā)明使用的相關(guān)算法可根據(jù)相關(guān)產(chǎn)品的硬件能力靈活選擇，如數(shù)據(jù)校驗(yàn)算法可選CRC16或MD5，加密算法也可選擇。
權(quán)利要求
1.一種單向開源數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒?，其特征在于發(fā)送方通過無線傳輸技術(shù)向接收方傳輸使用密鑰(Tkey)加密過的信息，該信息中包含同步計(jì)數(shù)(SyncCount)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于a)發(fā)送方使用傳輸密鑰(Tkey)進(jìn)行加密，接收方使用傳輸密鑰(Tkey)進(jìn)行解密，b)發(fā)送方與接收方使用相互獨(dú)立的時(shí)間系統(tǒng)，在相同的時(shí)間間隔(T)之后，對同步計(jì)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，并由接收方判斷是否處于同步狀態(tài)，是否需要同步過程，c)對合法的數(shù)據(jù)進(jìn)一步處理，對不合法的數(shù)據(jù)不響應(yīng)，或者觸發(fā)同步過程。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所述步驟b)進(jìn)一步為b1)接收方分別保存發(fā)送方傳送的同步計(jì)數(shù)(TimerTx’)和本地的同步計(jì)數(shù)(TimerRx’)為一個(gè)時(shí)間戳，b2)在相同的時(shí)間間隔之后(T)之后，將發(fā)送方同步計(jì)數(shù)(TimerTx)以及接收方同步計(jì)數(shù)(TimerRx)向相同方向計(jì)數(shù)，并將發(fā)送方同步計(jì)數(shù)(TimerTx)發(fā)送，b3)接收方根據(jù)保存時(shí)間戳計(jì)算出當(dāng)前的發(fā)送方同步計(jì)數(shù)影子(TimerTxShadow)，b4)比較發(fā)送方同步計(jì)數(shù)影子(TimerTxShadow)與當(dāng)前接收的發(fā)送方同步計(jì)數(shù)(TimerTx)，判斷是否需要同步。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的方法，其特征在于發(fā)送方儲(chǔ)存同步序數(shù)(SyncSeq)，接收方儲(chǔ)存該同步序數(shù)為接收方同步序數(shù)(SyncSeq’)，發(fā)送同步幀時(shí)，發(fā)送方將同步序數(shù)(SyncSeq)隨機(jī)遞增，并將增加后的同步序數(shù)(SyncSeq)發(fā)送，接收方收到同步幀時(shí)，判斷接收方同步序數(shù)(SyncSeq’)是否小于同步序數(shù)(SyncSeq)，如果不小于，判定該同步幀為非法數(shù)據(jù)，通知系統(tǒng)并采取保安措施。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4所述的方法，其特征在于所述傳輸密鑰的長度大于或者等于128位。
6.上述任意一個(gè)權(quán)利要求所述的方法，其特征在于使用于計(jì)算機(jī)令牌系統(tǒng)中，其發(fā)送方可由用戶攜帶，通過驗(yàn)證實(shí)現(xiàn)對計(jì)算機(jī)資源的訪問控制。
全文摘要
本發(fā)明屬于一種數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ欧椒?，涉及在單向開源的數(shù)據(jù)傳輸過程中，確保數(shù)據(jù)內(nèi)容不可破解與不可仿制欺騙的方法。針對傳統(tǒng)的開源通訊系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)安全傳輸方案的硬件要求高，算法復(fù)雜，效率低，安全性不足等不足，作出了以下改進(jìn)發(fā)送方通過無線傳輸技術(shù)向接收方傳輸加密過的信息(使用密鑰Tkey)以及同步計(jì)數(shù)(SyncCount)。接收器同樣使用Tkey對該信息進(jìn)行解密，通過對時(shí)間同步計(jì)數(shù)的判斷，可以有效的解決上述技術(shù)問題。進(jìn)一步的，提供一種同步方法，通過同步序數(shù)(SyncSeq)的驗(yàn)證，可以有效的防止錄放欺騙。
文檔編號(hào)H04L9/00GK1968079SQ20051008691
公開日2007年5月23日 申請日期2005年11月17日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月17日
發(fā)明者張正新 申請人:北京兆維電子(集團(tuán))有限責(zé)任公司